随着半导体器件特征尺寸持续缩小，局部结构变化易影响电学性能甚至导致失效，对高空间密度、高吞吐量 的先进计量技术 需求迫切。但现有技术存在局限：光谱类技术（SR/SE/MMSE）需逐点测量，难以实现晶圆级快速计量；SEM分辨率高却视场小，无法高效识别大范围结构变化；传统成像类技术视场窄且穆勒矩阵组件利用不足。Flexfilm 全光谱椭偏仪 可以非接触对薄膜的厚度 与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。
研究提出超宽视场成像穆勒矩阵光谱椭偏仪（IMMSE） ，其20mm×20mm 视场为当前最大，空间分辨率6.5μm，可获超1000万条穆勒矩阵光谱 ，经信号校正保全视场一致性，结合机器学习实现全晶圆高密度计量，数据量、吞吐量分别超SEM 1987倍、662倍，能识别DRAM结构空间变化以助良率提升。
工作原理
IMMSE系统结构及其工艺流程
光学设计：系统采用宽带光源和单色仪，通过定制照明光学实现65°入射角下大区域的均匀照明。成像模块采用Offner反射式结构，有效最小化色差和几何畸变。
偏振测量：通过双旋转偏振器（PSG和PSA）操控和分析光的偏振态，获取样品在不同偏振组合下的响应。
数据采集：在一次测量中，系统能捕获覆盖整个视场的高光谱图像立方体，包含超过1000万个像素点的强度信息，进而计算出每个像素点的3×3穆勒矩阵（MM）光谱。
系统信号失真校正
a. 相对透射率（RT）示意图；b. 矩阵重构示意图；c. 波长为 405nm 时，PSG 旋转角度分别为 0°、90°、180° 和 270° 条件下得到的PSG因子；、e. 全波长与全偏振条件下PSG 因子的均值（μ）和标准差（σ）；f. 在与图 c 相同的波长和偏振条件下得到的 PSA 因子；g、h. 全波长与全偏振条件下PSA因子的均值（μ）和标准差（σ）
a. 数据分析示意图；b. （A）、（B）、（C）对应的所有穆勒矩阵元素结果；其中（B）和（C）反映的是视场中心与其他区域的光谱误差
在如此大的视场内，光学部件（如偏振器）的性能不均匀性会导致信号失真，即视场中心与边缘的测量结果不一致。为此，本研究引入了****"系统因子"****校正算法。该算法通过测量标准样品（如裸硅片），定量表征并补偿了整个光学系统中与位置、波长和偏振相关的相对透射率（RT）变化。结果表明，校正后：
- 相对于理论MM光谱的误差降低了94%。
- 视场内的光谱变异降低了73%。
这确保了在整个20 mm×20 mm视场内，任何一点的MM光谱都是高度可靠和一致的。
机器学习驱动的空间密集量测
拥有海量且可靠的MM光谱数据后，本研究采用机器学习算法（岭回归） 建立模型。该模型利用少量传统工具（如SEM）的参考测量值进行训练，学习MM光谱与目标参数（如厚度、关键尺寸CD、套刻误差）之间的复杂关系。训练完成后，模型可瞬间处理整个晶圆上超过1000万个数据点，实现前所未有的空间密集量测。
在 DRAM计量中的 实际应用验证
IMMSE 的核心价值在于解决半导体制造中的****"工艺监测与良率优化"****问题，以下为 DRAM 晶圆的三大关键计量场景验证：
薄膜厚度测量（CVD 工艺优化）：
DRAM 晶圆的薄膜厚度计量及对比分析
化学气相沉积（CVD）是 DRAM 薄膜制备的核心工艺，喷嘴阵列（六边形分布）易导致厚度不均。
- 传统点椭偏仪：仅测 49 个点，仅能反映粗略全局趋势；
- IMMSE ：测超 700 万个点，清晰识别出****"六边形厚度图案"****（与喷嘴阵列匹配），可作为工艺 "指纹" 优化设备参数；
- 改进工艺后，IMMSE 显示图案消失，薄膜均匀性显著提升。
关键尺寸（CD）测量（蚀刻工艺控制）：
DRAM 晶圆的关键尺寸（CD）计量及分析
DRAM 电容器为高纵横比沟槽结构，蚀刻后顶部 CD 是评估工艺质量的关键指标。
- SEM：仅测 536 个点，无法捕捉全局变化；。
- IMMSE ：测超1000万个点，发现 SEM 未检测到的 "同心圆 CD 变化图案"。
- 在改进刻蚀工艺后，IMMSE 验证图案消除，全晶圆 CD 均匀性提升。
套刻误差测量（光刻工艺精度）：
DRAM 晶体管结构的套刻计量及与传统 SEM 的对比分析
套刻误差指晶体管 bit 线（BL）与接触材料（CM）的对准偏差，直接影响电接触可靠性。
- SEM：全晶圆仅测 6000 个点，局部区域仅 261 个点，漏检局部变化；
- IMMSE：全晶圆测超 1000 万个点，局部区域 测超 10 万个点，精准识别shot 区域内的套刻偏差；
- 改进光刻工艺后，套刻均值从 - 1.31nm（工艺 1）降至 - 0.03nm（工艺 2），标准差从 0.36nm 降至 0.24nm，为识别和筛选缺陷芯片提供了量化依据。
IMMSE 的技术优势与应用前景
- 超高吞吐量与数据量：相比SEM，IMMSE提供了1987倍的测量数据点，单位点测量时间快662倍（0.001秒/点）。
- 卓越精度：对所有测量参数（厚度、CD、套刻）的预测均方根误差（RMSE）均低于1纳米，重复性达到0.36 nm (3σ)，满足先进制程监控要求。
- 应用潜力 ：虽然本系统专为半导体量测开发，但其宽视场、高通量、偏振分辨 的测量能力可拓展至：生物医学 （如基于 3×3 穆勒矩阵的离体组织表征、视网膜神经纤维层检测）；材料科学 （如二维材料的偏振特性分析）未来方向（集成宽带波片可实现 4×4 完整穆勒矩阵测量，进一步拓展偏振表征能力）
本研究成功开发的超宽视场成像穆勒矩阵光谱椭偏仪（IMMSE）系统 ，结合其创新的系统校正算法和机器学习模型，突破了传统量测技术的瓶颈，为实现半导体制造中 的全景式 、纳米级精度监控 和快速良率提升提供了一个强大的平台。
Flexfilm全光谱椭偏仪
Flexfilm全光谱椭偏仪
全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元 和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）。
****▶先进的旋转补偿器测量技术：****无测量死角问题。
****▶粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：****先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
****▶秒级的全光谱测量速度：****全光谱测量典型5-10秒。
▶****原子层量级的检测灵敏度：****测量精度可达0.05nm。
Flexfilm全光谱椭偏仪 能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率, 结合费曼仪器 全流程薄膜测量技术，助力半导体 薄膜材料领域的高质量发展。
原文参考:《Ultra-wide-field imaging Mueller matrix spectroscopic ellipsometry for semiconductor metrology》
https://www.flex-film.cn/product/22640.html